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高功率TEA CO_2激光器腔镜热稳定性研究

陈佳元  
【摘要】:高功率TEA CO_2激光器由于输出功率高,工作波长处于大气长波红外窗口等特点,在光电对抗、激光推进和激光武器中有广阔的应用前景。在这些应用中,激光传输的距离达到数公里甚至数千公里,所以要求输出的激光光束质量非常高。激光光束质量除了与激光器本身性能相关外,还与激光腔镜的热变形密切相关。在高能激光系统中,激光反射镜镜表面和窗口激光辐照区域在激光辐照下吸收一部分光能,形成不均匀的温度场,从而产生热应力并发生镜面热变形。这种不均匀变形将引起光束质量下降,严重制约TEACO_2激光的远距离应用。因此,研究激光腔镜的热稳定性,掌握腔镜的热变形规律,对控制激光腔镜的热变形,提高激光输出质量具有重要的现实意义。本论文在前人研究的基础上,围绕激光腔镜的热稳定性作了进一步研究,以寻求更加有效的腔镜热变形抑制方法。 首先,从一般热传导方程出发,结合高功率TEA CO_2激光器工作特点,得到了TEA CO_2激光反射镜及窗口的温度场分布以及热变形解析解。运用差分法计算了硅镜在CO_2激光照射下的热变形,计算结果表明:镜面变形是由镜体材料的热、结构性能、镜体装夹方式以及镜体冷却方式共同决定。 其次,针对窗口及凸镜处于输出光路包围中,无法用常规的冷却方法进行冷却的技术难题,提出了采用涡流管对窗口及凸镜进行冷却的方法。建立了有限元模型,通过有限元软件ANSYS模拟分析并实验验证了涡流管对窗口及凸镜冷却的有效性。模拟结果表明:涡流管冷却窗口时,当冷却风速为200m/s时,窗口最高温升较自然冷却降低达54.9%。窗口轴向热变形峰谷差仅为自然对流时的17.6%;实验实时测量了单脉冲平均能量18.3J,在不同工作频率下及是否采用涡流管冷却情况下的光束模式,并计算出衍射极限倍数因子值,当激光器工作频率3Hz,连续运行300s,没有涡流管冷却时衍射极限倍数因子值由3.52变化到6.94,采用涡流管冷却后,该值仅由3.50变化到3.88。 随后,分析了水冷腔镜的结构包括反射镜装夹方式、镜面厚度、水槽尺寸、流道形状和水冷区域等影响镜面热变形的因素。结果显示:本论文提出的凹台周向夹持方式较常用的夹持方式对镜面轴向热变形减小22%以上;水冷区域的大小对镜面热变形影响显著,其有一个最佳值;提出了弧形不等深水冷流道结构,模拟计算结果表明:二维弧形不等深流道较普通直沟道能减小镜面热变形90%以上。 最后,提出并探讨将平面热管应用于腔镜冷却,给出热管冷却镜方案,并模拟计算了相同结构下硅镜镜面热吸收12W/cm~2,实心镜、微沟道水冷镜与热管腔外冷却镜连续工作60s下镜体温升和镜面变形量,计算结果表明:热管腔外冷却镜镜面轴向位移最大峰谷差为0.1094μm,微沟道水冷镜最大峰谷差为0.845μm,实心镜镜面最大峰谷差为1.33μm,腔外冷却镜对镜面变形改善显著。提出并初步探讨了光学补偿的方法来进一步减小腔镜轴向热变形的可能性和可行性,数值研究表明光学补偿能有效减小镜面因热变形导致的轴向变形峰谷差。


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